技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種針對大部件裝配過程的部件位姿不確定度評定方法。

背景技術(shù)

在航空、航天、船舶等復(fù)雜產(chǎn)品制造領(lǐng)域，為完成產(chǎn)品裝配并保證質(zhì)量，需要對飛機(jī)機(jī)身、衛(wèi)星艙段、船體分段等大尺度部件進(jìn)行位姿精確調(diào)整；通過測量大尺度部件結(jié)構(gòu)上的特征點坐標(biāo)并擬合得到部件實測位姿，是實現(xiàn)大尺度部件位姿調(diào)整的前提。傳統(tǒng)的大部件對接裝配過程中，通常在部件結(jié)構(gòu)上設(shè)置幾個關(guān)鍵特征點，對這些特征點進(jìn)行測量，通過比較它們之間的相對位置確定部件姿態(tài)的偏移形式和調(diào)整方向。以飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼對接裝配為例，在機(jī)身和機(jī)翼上分別設(shè)置有多個水平測量點，在對接之間，采用經(jīng)緯儀測量各水平測量點的高度，基于它們之間的高度差計算機(jī)翼的上反角、安裝角等參數(shù)是否滿足要求，并確定機(jī)身與機(jī)翼當(dāng)前位姿，進(jìn)而通過手動調(diào)整工裝將機(jī)身與機(jī)翼調(diào)至水平，最終實現(xiàn)對接。顯然，上述過程不僅效率低下，而且準(zhǔn)確度難以保證，通常需要多次重復(fù)調(diào)整，才能保證對接質(zhì)量滿足產(chǎn)品要求。隨著數(shù)字化設(shè)計、制造和裝配技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜產(chǎn)品大部件裝配也朝著數(shù)字化的方向發(fā)展。

國外先進(jìn)數(shù)字化裝配技術(shù)的一個主要特征就是，在裝配階段越來越多地采用數(shù)字化測量技術(shù)，以獲取特征點在三維空間的坐標(biāo)，進(jìn)而基于這些特征點坐標(biāo)數(shù)據(jù)求解大尺度部件實測位姿。基于數(shù)字化測量數(shù)據(jù)求解部件位姿，不僅具有高效率高精度的特點，而且便于與自動化裝配系統(tǒng)進(jìn)行集成，是復(fù)雜產(chǎn)品裝配技術(shù)發(fā)展的趨勢。在國外，波音、空客等公司已廣泛采用基于數(shù)字化測量的自動裝配技術(shù)，以提高裝配質(zhì)量，縮短裝配周期(于勇,陶劍,范玉青,航空制造技術(shù),2009年14期)；國內(nèi)航空航天制造企業(yè)也逐步引進(jìn)類似技術(shù)，在產(chǎn)品研制過程中展開應(yīng)用探索(雷源忠,機(jī)械工程學(xué)報,2009年第5期)。

不確定度是一個與測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的、表征被測量之合理賦值的分散程度的參量。任何測量結(jié)果均存在一定的不確定性，表現(xiàn)為采用相同手段進(jìn)行多次重復(fù)測量的測量結(jié)果各不相同，測量結(jié)果只有在與相應(yīng)的測量不確定度同時出現(xiàn)時，才具有可信性和完整性。由于測量不確定度的存在，使得單次測量結(jié)果無法完全準(zhǔn)確地反映被測量對象的實際狀態(tài)，即存在測量誤差；與零件的制造誤差、部件的裝配誤差一樣，測量誤差同樣對裝配協(xié)調(diào)性產(chǎn)生影響。因此，需要對位姿的測量不確定度進(jìn)行研究，為位姿數(shù)據(jù)的合理應(yīng)用提供支持。

目前，尚未有針對位姿不確定度的相關(guān)研究成果；本發(fā)明研究并實現(xiàn)了一種位姿不確定 度評定方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種位姿不確定度評定方法。

位姿不確定度評定方法包括如下步驟：

1)給出位姿不確定度的定義、幾何表示、代數(shù)表示以及其物理意義；

2)依據(jù)計算位姿的解析算法建立位姿不確定度與測量目標(biāo)點位置不確定度間的解析關(guān)系，確定位姿不確定度的解析算法；

3)分析位姿不確定度來源，將其分為目標(biāo)點測量不確定度和目標(biāo)點實際位置波動不確定度兩大類；

4)針對位姿測量和不確定度評定需求，確定測量系統(tǒng)選型方案與采樣策略，采集目標(biāo)點測量數(shù)據(jù)樣本；

5)采用主成分分析法分析目標(biāo)點測量數(shù)據(jù)樣本，分離出目標(biāo)點位置波動不確定度與目標(biāo)點測量不確定度；

6)依據(jù)位姿不確定度的解析算法，利用目標(biāo)點位置波動不確定度計算出位姿不確定度。

所述的位姿不確定度的幾何表示與代數(shù)表示：

1)幾何表示：在幾何形式上，位姿反映了裝配基準(zhǔn)局部坐標(biāo)系原點在空間全局坐標(biāo)系中的位置，以及局部坐標(biāo)系各軸繞全局坐標(biāo)系各軸的旋轉(zhuǎn)角度，位姿的不確定性則表現(xiàn)為局部坐標(biāo)系原點在空間全局坐標(biāo)系中位置的不確定性，以及局部坐標(biāo)系各軸指向的不確定性，而且這二者之間并不是完全獨立的。位姿所描述的對象是具有幾何邊界的實體，在三維空間中，其位姿不確定度最終表現(xiàn)為該實體的接口幾何特征在某個范圍內(nèi)隨機(jī)存在，該范圍存在一個最大邊界和最小邊界，構(gòu)成了位姿所描述的實體的幾何特征的最小包絡(luò)范圍。

2)代數(shù)表示：在代數(shù)形式上，位姿是由局部坐標(biāo)系繞全局坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度以及局部坐標(biāo)系原點相對全局坐標(biāo)系原點的平移量所構(gòu)成的六維矢量，因此，位姿不確定度的數(shù)學(xué)形式可以采用六個維度變量的協(xié)方差矩陣表示為式(1)：

所述的位姿不確定度的解析算法：

1)首先，將位姿矩陣與目標(biāo)點坐標(biāo)之間的關(guān)系表示為函數(shù)g(·)，如式(2)所示：

2)使用位姿矩陣的六維參數(shù)代替其位姿矩陣，將式(2)轉(zhuǎn)化為式(3)：

其中，h＝(α,β,γ,dx,dy,dz)^T(3)